秦巴山區粘性土坡穩定性數值分析★

高 斌 郭 鴻* 趙 陽,2 姚 鵬 蘇一辰

(1.陜西理工學院土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責任公司，陜西 寶雞 721006)

秦巴山區粘性土坡穩定性數值分析★

高 斌1郭 鴻1*趙 陽1,2姚 鵬1蘇一辰1

(1.陜西理工學院土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責任公司，陜西 寶雞 721006)

為了直觀的分析邊坡滑坡的細觀機理，利用離散元模擬，進行了顆粒流模擬粘性土坡的變形破壞過程，從而對粘性土邊坡穩定性進行了分析，為粘性土邊坡的穩定性分析提供了理論基礎。

粘性土，數值模擬，離散元

0 引言

自然界廣泛分布著殘積土，膨脹土等粘性土，殘積土、粘性土往往是非飽和的，在受外界不利因素(如地震、強降雨、人工作業等)的影響，可能會失去原有的穩定性而發生滑動、傾倒等形式的破壞。土坡的失穩破壞過程存在著土塊的滑移、翻轉和斷裂以及土體逐漸變松等較復雜的過程。土體在宏觀上具有不連續性以及單個塊體運動的隨機不確定性，邊坡土體不同位置的力學性質、位移的規律等也不盡相同。因此研究土體的破壞過程是非常復雜的。離散元為Cundall[1，2]于1971年提出，是針對巖土體大位移非線性破壞的一種數值分析方法，它利用顆粒流模擬土坡變形破壞的過程從細觀上定義顆粒之間的接觸關系，該計算過程是邊坡內部求得穩定狀態的自然調整過程，故不要求具有連續的位移和協調的變形，通過模擬過程便可直觀得到邊坡滑倒、開裂的過程，以及最后滑裂面的形狀和位置。所以利用顆粒流模擬邊坡破壞特性是一種比較理想的途徑，本文利用顆粒流對秦巴山區粘性土坡的穩定性進行數值模擬，從而為該地區粘性土邊坡的防護與治理提供進一步的參考。

1 粘性土坡的顆粒流模型

1.1 離散元方法簡介

離散元法主要思想是把整個介質看作由一系列離散的獨立運動的粒子(單元)所組成，單元本身具有一定的幾何(形狀、大小、排列等)和物理、化學特性。其運動受經典運動方程控制，整個介質的變形和演化由各單元的運動和相互位置來描述。并被廣泛應用于分析巖石力學問題的一種不連續數值模擬方法。二維顆粒流程序(PFC2D—particle flow code in 2-dimensions)作為離散元的一種[3]，是專門用于模擬固體力學大變形問題及顆粒流動問題的計算方法，它通過圓形離散單元來模擬顆粒介質的運動及其相互作用 。由平面內的平動和轉動運動方程來確定每一時刻顆粒的位置和速度。作為研究顆粒介質特性的一種工具，它采用有代表性的數百個至上萬個顆粒單元，通過數值模擬實驗可以得到顆粒介質本構模型。

1.2 模型建立

本文采用PFC模擬滑坡穩定，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再設置強度參數，建模時考慮到土體自身的重力環境。

首先建立高10 m，長20 m的邊坡。讓其先在自重作用下達到穩定狀態，基本模型初始穩定狀態見圖1a)。接著對矩形邊坡基本模型進行3次開挖，每次開挖2 m深度(開挖顆粒是為了產生卸載作用來破壞PFC模型整體性)建立邊坡模型，直到邊坡達到穩定狀態，坡高為6 m，坡角60°。我們為容易觀察細小顆粒的移動情況，把土體顆粒隔一定距離設置為不相同顏色，如圖1b)所示。

2 粘性土滑坡模擬及分析

粘性土邊坡的破壞形式受內部結構和外界條件影響。從坡體自身結構特點而言，柔軟結構面和自身材料抗剪強度是決定坡體穩定性的主要因素；從坡體外界環境而言，是由于自然因素和人類活動改變了邊界條件和降低了山體結構的力學性質[4]。因此，有必要從坡體自身的結構特點出發，研究粘性土邊坡的穩定性。本文對于粘性土分別從粘性土邊坡沖刺式滑坡和粘性土邊坡非沖刺式滑坡進行了顆粒流模擬。

2.1 粘性土坡沖刺式滑坡

如圖2所示,當粘性土邊坡沖刺式滑坡步時達到一定值時，邊坡坡腳將產生一定的滑動，由于坡腳土質硬度不夠，因此是坡腳直接刺進土里，產生位移變動，坡面從上而下因位移的移動而產生細小的裂縫；隨著步時值的增大，坡腳滑移位移變大，從而導致坡面從上而下的裂縫擴大，隨著裂縫的擴大，坡體中部出現剪切滑動，邊坡上部開始有塊體翻滾滑落，坡體底部的土體因上部重壓而開始錯位；隨著步時的持續增大，邊坡從上而下的拉裂越來越大，底部的土體因上部重壓的錯位也隨之增大，最終整個邊坡出現平面滑動破壞。

2.2 粘性土坡非沖刺式滑坡

如圖3所示，當粘性土非沖刺式滑坡步時達到某一數值時，邊坡坡腳開始順著底部向前滑動，由于邊坡底部土質較硬，滑坡土體沒能沖刺進入底部土體，坡面從上而下產生明顯的裂縫。隨著步時的逐步增大，邊坡坡腳順著底部向前的位移在增大，進而加速了坡面拉裂裂縫的擴大。隨著裂縫的增大，邊坡上部出現塊體翻滾滑落，上部土體不斷重壓導致底部錯位。隨著步時的持續增大，最終導致整個坡面出現平面滑動破壞，最后穩定時坡腳前土體有隆起。

3 結語

通過資料對秦巴山區土性的基本了解，主要以粘性土邊坡為研究對象，利用顆粒流數值模擬方法，對粘性土邊坡穩定性進行數值模擬分析，主要得出以下結論：

1)利用顆粒流程序可以較好的模擬邊坡變形和破壞的整個過程，不需要假定滑移面的位置和形狀，粒子根據接觸力的位置調整，最終從抗剪強度最弱的面發生剪切破壞。

2)通過利用顆粒流對粘性土邊坡滑坡過程進行數值模擬，從模擬的結果可以看出：當粘性土坡滑坡破壞時，起初是坡腳開始滑動，產生一定的位移，緊接著坡面上部產生拉裂裂縫，中部剪切，底部因上部重壓而產生錯位，最終導致整個坡面平面滑動。

[1] 胡 徽，陳 華，包文靜.邊坡穩定性數值分析方法研究進展[J].2010(8)：13-15.

[2] Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems[A].Proceeding of the symposium of the international society for rock mechanics[C].Nancy,France,1971.

[3] Itasca Consulting Group,Inc.PFC2D theory and background[M].Minneapolis:Minnesota,2004.

[4] 陳祖煜.土質邊坡穩定分析——原理 方法 程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

Numerical analysis of cohesive soil slope stability in Qinba Mountain area★

Gao Bin1Guo Hong1*Zhao Yang1，2Yao Peng1Su Yichen1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China;2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to intuitive analysis of slope landslide of fine microscopic mechanism, the discrete element simulation, using particle flow simulation of cohesive soil slope deformation and failure process, and to analyze the cohesive soil slope stability, it has provied theoretical foundation for choesive soil slope stability analysis.

cohesive soil， numerical simulation， discrete element method

2015-06-08★:陜西省教育廳基金和陜西理工學院創新訓練計劃基金支持

高 斌(1993- )，男，在讀本科生； 趙 陽(1992- )，男； 姚 鵬(1992- )，男，在讀本科生； 蘇一辰(1993- )，女，在讀本科生

郭 鴻(1984- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)23-0041-02

TU413.62

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